Transient State Finite Element Analysis for Variable Load States of a Three-Phase Synchronous Machine

Abstract

Synchronous machines are electric machines with alternating current in stator windings, direct current in rotor windings and rotating or rotating synchronously with rotor speed. Alternators are the most basic synchronous electric machines that convert mechanical energy into electrical energy, while synchronous motors are synchronous machines that convert electrical energy into mechanical energy. According to the mechanical energy source, synchronous machines can be operated at high speeds in steam turbines or at low speeds in hydraulic power plants and it is important for system planning to study the working characteristics of the machine in no-load and variable load situations at these cycles. In the derivation of these characteristics, multi-machine parameters can be evaluated dynamically and the behaviors of synchronous machines can be examined by using the finite element analysis method. In this study, the efficiency of a 3-phase synchronous machine with variable load, induced voltage, phase currents, phase voltages and torque amounts at specified cycles are presented separately according to the electrical angle change. It can be said that the analysis results can be used as an important planning element in the energy production planning when it is considered that the machine under review is used in the production, which will feed an electric grid, which requires variable load.

Keywords

• 3-PSG,variable load,finite element analysis,transient analysis,Ansys Maxwell

Üç Fazlı Senkron Bir Makinenin Değişken Yük Durumları için Geçici Hal Sonlu Eleman Analizi

Abstract

Senkron makineler, rotor devri ile stator devri eşit olup stator sargılarında alternatif akım, rotor sargılarında ise doğru akım bulunan ve rotor hızı senkron devirle dönen veya döndürülen elektrik makineleridir. Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren en temel elektrik makinesi olan senkron makineler alternatör çalışması, elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren senkron makineler ise senkron motor çalışması gerçekleştirir. Mekanik enerji kaynağına göre senkron makineler, buhar türbinlerinde yüksek veya hidrolik santrallerde ise düşük devirlerde işletilebilmekte olup bu devirlerde makinenin çalışma karakteristiklerinin boşta ve değişken yük durumlarında incelenmesi sistem planlaması için önemlidir. Bu karakteristiklerin çıkarılmasında sonlu eleman analizi yöntemi kullanılarak çoklu makine parametreleri dinamik olarak değerlendirilip senkron makinelerin davranışları incelenebilir. Bu çalışma ile boyutlandırılması yapılmış 3 faz senkron bir makinenin değişken yük durumlarında verimlilik, belirlenen devirlerde indüklenen gerilim, faz akımları ve faz gerilimleri, tork miktarı gibi değerleri elektriksel açı değişimine bağlı ayrı ayrı ortaya koyulmuştur. İncelemesi yapılan makine için değişken yük ihtiyacı olan bir elektrik şebekesini besleyecek olan üretim düşünüldüğünde makine analiz sonuçlarının enerji üretim planlanmasında önemli bir planlama unsuru olarak kullanılabileceği söylenebilir.

Keywords

• 3FSG,değişken yük,sonlu eleman analizi,geçici durum analizi,Ansys Maxwell

References

1. Bayram M.B., Sefa I. ve Balcı S., 2017. A static exciter with interleaved buck converter for synchronous generators. International Journal of Hydrogen Energy, 42(2017), 17760-17770.
2. Brauer J.R., 1981. Finite Element Analysis of Single-Phase and Polyphase Induction Motors. Conf. Record of IEEE Industry Application Society Annual Meeting, Philadelphia.
3. Caner M., 2006. Hiyerarşik fuzzy yöntemiyle senkron generatörlerde uyartım kontrolü, Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enst./YTU, İstanbul, Türkiye. Chapman S., 2005. Electric machinery fundamentals. Tata McGraw-Hill Education.
4. Cros J., et al., 2016. Simulation Methods for the Transient Analysis of Synchronous Alternators. Renewable Energy-Utilisation and System Integration, InTech.
5. Fitouri M., et al., 2016. Analysis and co-simulation of permanent magnet sychronous motor with short-circuit fault by finite element method. Systems, Signals & Devices (SSD). 13th International Multi-Conference on. IEEE, 472-477, Germany.
6. Gani A., et al. 2015. Uyarlamalı Bulanık-PI Denetim Esaslı Dinamik Senkron Kompanzatör ile Reaktif Güç Kompanzasyonu Benzetim Çalışması. Kahramanmaras Sutcu Imam University Journal of Engineering Sciences, 18(2), 72-76.
7. Hendershot J.R. & Miller T.J.E.,1994. Design of Brushless Permanent-Magnet Motors, Magna Physics Pub.
8. Kalenderli Ö., 1995. Elektrik Mühendisliğinde Sonlu Elemanlar Yöntemi Ders Notları. İTÜ, İstanbul, Türkiye.

9. Ong, C. M. M. O. 1998. Dynamic simulation of electric machinery using Matlab/Simulink. Prentice-Hall PTR.
10. Öner Y., Özçıra S., Bekiroğlu K.N., 2008. Düşük Güçlü Uygulamalar için Konvansiyonel Senkron Generatörler ile Sürekli Mıknatıslı Senkron Generatörlerin Karşılaştırılması. Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu (ELECO 2008), 277-281, Bursa, Türkiye.
11. Williamson S., Lim L.H. & Robinson M.J., 1990. Finite-element models for cage induction motor analysis. IEEE Transactions on Industry Applications, 26(6), 1007-1017.